colesterolo - Macroarea di Scienze

Università di Roma Tor Vergata- Scienze della Nutrizione Umana
Biochimica
Prof.ssa Luciana Avigliano
2014
Colesterolo
Digestione dei lipidi
Fitosteroli
COLESTEROLO
MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO
scoperto
nel 1784 nei calcoli biliari
piccola molecola più premiata: 13 Premi Nobel
Chimici
per la sua struttura a 4 anelli condensati
Biochimici per la biosintesi (coinvolti più di 30 enzimi) a
partire dall acetato
Fisiologi
per le sue funzioni
Medici
collegata ad aterosclerosi ed infarto
COLESTEROLO TOTALE 100 g
≈ 5% ematico, 95% cellulare
esterificato con acido grasso
es. nelle lipoproteine
COLESTEROLO
DIETA
presente in alimenti di origine animale
nelle piante: fitosteroli
dalla dieta: 50 mg/die vegetariani -> 400 mg/die
INRAN, Linee guida USA 2005 ≤ 300 mg/die (adulti)
BIOSINTESI 700-900 mg/die
in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle)
LE DUE VIE SI INFLUENZANO RECIPROCAMENTE
PER MANTENERE COSTANTI I LIVELLI CELLULARI
TURNOVER GIORNALIERO
800 mg/die
FUNZIONI
strutturale
modulatore della fluidità delle membrane ( lipid rafts )
precursore
- acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA
- ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali)
-  vitamina D
EFFETTI DANNOSI
molecola apolare, assolutamente insolubile in acqua
- se precipita, non più rimovibile con conseguente danno
cellulare
- se si accumula in modo errato nelle arterie non può più
essere rimosso; i livelli ematici devono rimanere bassi
COLESTEROLO
quantità riportate come mg per 100 g di alimento edibile
Ø  cervello di animali
Ø  Tuorlo d' uovo (1.350)
un uovo intero contiene 400 mg di colesterolo per 100 g
Ø  Burro (250)
Ø  Frutti di mare (aragosta, gamberi, ostriche, cozze 150)
Ø  Salumi grassi (100)
Ø  Formaggi grassi (pecorino, grana, parmigiano ecc. 100)
Ø  Carne e pesce magri
(petto di pollo, tonno, pesce spada ecc. 70).
FEGATO:
ORGANO PRIMARIO NELLA OMEOSTASI DEL COLESTEROLO
omeostasi epatica studiata da 30 anni
Michael Brown e Joseph Goldstein
1985- vincitori del premio Nobel - basi molecolari della ipercolesterolema familiare
2003 - Albany Medical Center Prize - controllo trascrizionale della biosintesi
BIOSINTESI
enzima chiave HMGCoA REDUTTASI
captazione dal circolo
recettori per le lipoproteine
VIE COORDINATE
dai livelli di colesterolo
catabolismo
enzima chiave COLESTEROLO 7α IDROSSILASI
ENTEROCITA
studiata negli ultimi anni
CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE
Biosintesi
Formazione dei chilomicroni
acetato
CH3
isoprene
I
3HC–C=CH–CH3
polimerizzazione
terpene
monoterpene C10
diterpene c20
fitolo
nella clorofilla
limonene
citronella
mentolo
trans retinale
triterpene C30
tetraterpene C40
squalene
lanosterolo
Licopene (pigmento rosso del pomodoro)
STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA
acetilCoA
ATP, NADPH
isoprene
(5 atomi di carbonio)
C
I
RETICOLO ENDOPLASMATICO
C-C=C-C
polimerizzazione
squalene
CH2
(30 atomi di carbonio)
CH2
O2
3HC
CH3
CH3
lanosterolo
Prodotto di ciclizzazione
(30 atomi di carbonio)
CH3
HO
H
CH3 CH3
O2
3HC
NADPH
CH3
CH3
colesterolo
(27 atomi di carbonio)
HO
BIOSINTESI
Acetil CoA
mitocondriale
- piruvato (da glucosio)
- β-ossidazione acidi grassi
esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato
citrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi
NADPH + H+
- via dei pentosi fosfati (glucosio)
- enzima malico
ossalacetato + NADH D malato + NAD+
malato + NADP+ + H2O + enzima malico Ú piruvato + HCO3- + NADPH + H+
ATP
fosforilazione ossidativa
1. Conversione di un frammento C2 (acetil CoA) in un
composto C6 (mevolonato)
2NADPH + H+ 2NADP+
CoA-SH
CO-S-CoA + CH3
* CH3
* C=O
HMG~CoA
sintasi
CH2
CO -S-CoA
acetil CoA
acetoacetil CoA
–
COO
CH2
HMG ~CoA
reduttasi
HO-C-CH3
CoA-SH
–
COO
CH2
HO-C-CH3
CH2
CH2
CO -S-CoA
CH2O H
idrossimetil glutaril ~ CoA
(HMG~CoA)
mevalonato
HMG~CoA reduttasi
Ø  legata al reticolo endoplasmatico tramite la porzione N-terminale
che contiene un dominio sensibile agli steroli importante per la
stabilità
Ø  porzione C-terminale citosolica che contiene il dominio catalitico
PUNTO DI CONTROLLO DELL INTERO PROCESSO BIOSINTETICO
2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato)
Tre tappe di fosforilazione ad opera di chinasi con il consumo di 3 ATP
ATP
ATP
ADP
–
COO
CH2
ADP
–
–
COO
mevalonico
chinasi
HO-C-CH3
CH2
COO
fosfomevalonico
chinasi
HO- C-CH3
CH2
HO- C-CH3
CH2
CH2
CH2
CH2O H
CH2-O-PO3H–
CH2-O-P~P
mevalonato
5 fosfomevalonato
ATP ADP + Pi CO
2
fosfomevalonico
decarbossilasi
5 pirofosfomevalonato
CH2
CH3
C - CH3
C - CH3
I
II
CH2
isopentenilpirofosfato
isomerasi
CH2-O-P ~P
3 isopentenilpirofosfato
CH
CH2-O-P ~P
dimetilallilpirofosfato
isoprene attivato
3.
Polimerizzazione della molecola isoprenica
+
dimetilallilpirofosfato
C10
C5
C5
PPi
prenil
transferasi
Isopentenil pirofosfato
2X
geranilpirofosfato
C15
PPi
C30
NADPH + H+
prenil
transferasi
farnesilpirofosfato
NADP+
+ 2PPi
squalene sintasi
squalene
4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e
conversione a colesterolo
O2
+
NADPH + H+ NADP
Squalene
epossidasi
H 2O
H+
squalene
squalene epossido
Squalene
epossido
ciclasi
¬
19 reazioni
(NADPH e O2)
¬ ¬
lanosterolo
rimozione 3 metili ¬(due in C4 ed uno in C14) come CO2
saturazione doppio legame (catena laterale)
spostamento doppio legame (8,9 Ò 5,6)
ALTRE BIOSINTESI
selenoproteine
Sec-tRNA
isopenteniladenosina
trasduzione
del segnale
Proteine
isoprenilate (Ras)
↓ farmaci
antitumorali
Dolicolo-P
18-20 unità
Eme a
citocromo c ossidasi
+ Tyr
CoQ10 o ubichinone
Trasporto
elettroni
mitocondriale
Proteine
N- glicosilate
Antiossidante
lipofilo
(immunoglobuline)
Colesterolo
ormoni
acidi biliari
vitamina D
membrane
CoQ10
TRASPORTO EMATICO
e
CAPTAZIONE
- ACIDI GRASSI LEGATI ALL ALBUMINA tessuto adiposo ] fegato
- LIPOPROTEINE
chilomicroni 2% proteine, 85% TG, fosfolipidi (FL) intestino ] fegato
VLDL 8% proteine, 60% TG, FL fegato ] organi periferici .
ò
LDL
22% proteine, 6%TG, FL, 2/3 colesterolo totale
HDL
50% proteine, FL, 20% 1/3 colesterolo totale
fegato ] organi periferici ] fegatofosfolipidi
apoB100
LDL:Alti livelli associati a rischio
di malattia cardiovascolare
TG
colesterolo libero
(non esterificato)
esteri del colesterolo
Funzione delle apolipoproteine:
Secrezione - Attivazione di enzimi - Legame a recettori
apoproteina
lipoproteina
funzione
B48
chilomicroni
secrezione chilomicroni
B100
VLDL 50 %
LDL 100 %
secrezione VLDL
lega recettore LDL
C(II)
chilomicroni, VLDL
A(I, II)
E
HDL
attiva LPL
attiva LCAT
chilomicroni, VLDL, HDL
lega recettori epatici
LPL lipoprotein lipasi
LCAT lecitina colesterolo acil transferasi
Il colesterolo importato blocca la sintesi del colesterolo e del
recettore
REGOLAZIONE DELLA
ATTIVITA DELLA
HMG~CoA REDUTTASI
LIVELLI DI REGOLAZIONE DELLA HMGCoA REDUTTASI
I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto
↓ mevalonato
↓ farmaci (statine)
II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione
forma non fosforilata più attiva
forma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente
ATP/AMP ≈ 50
piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP]
Calo in [ATP] inibisce sintesi colesterolo e ac. grassi
III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesi
via principale
VARIAZIONI DI ATTIVITA FINO A 200 VOLTE
STATINE
HO
X O
CH3
COOOH
HO
H 3C
COOOH
O
CH3
R = CH3
X= H lovastatina
R = CH3
X= CH3 simvastatina
R
Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi
effetti positivi
↓ sintesi colesterolo
↑ sintesi del recettore per le LDL
↓ livelli di LDL (~ 50%)
effetti positivi
anti-infiammatori
anti-aggreganti
o negativi
a prescindere dal colesterolo
miopatia (coenzima Q?, selenoproteine?, alterato
metaboslimo isoprenico?)
neuropatia
REGOLAZIONE di LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI
controllo feedback da parte del colesterolo
DEGRADAZIONE e BIOSINTESI
REGOLATE
dai LIVELLI CELLULARI DI COLESTEROLO
(tramite sensori dei livelli di colesterolo del R.E.)
tramite
PROTEOLISI CONTROLLATA
HMG~CoA reduttasi
2 DOMINI
dominio idrofilico
citosolico C-terminale
-catalitico
dominio idrofobico N-terminale
ancorato al R.E. che contiene un
dominio sensibile agli steroli importante per la stabilità
I. DEGRADAZIONE (emivita 3 h)
dominio sensibile agli steroli sterol-sensing domain
in presenza di alti livelli di colesterolo degradata dal
sistema ubiquitina- proteasoma
II: REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE
tramite
fattori di trascrizione
Sterol Regulatory Element - Binding Protein
SRE-BP
Legano sequenze SRE Sterol Regulatory Element
presenti nel promotore di geni coinvolti nella biosintesi di acidi
grassi e colesterolo
2 isoforme sintetizzate da due distinti geni
SRE-BP1c più selettiva per biosintesi trigliceridi
SRE-BP2 più selettiva per biosintesi colesterolo
Cellule deplete di colesterolo
Nucleo
S2P
S
due specifiche rotture nel
Golgi Ú parte N-terminale
forma solubile attiva nucleare
S
SREBP
SREBP
S
S
SCAP
SCAP
SCAP
SRE-BP proteina precursore
ancorata al R.E
SRE
Alto livello
di trascrizione
riciclaggio
R.E.
Golgi
SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein
Colesterolo abbondante
Nucleo
inS1P
contiene sterol-sensing domain
(omologo a dominio della HMGCoA-R)
Colesterolo si lega e modula la
conformazione
S2P
S
SENSORE DEL COLESTEROLO
SREBP
SRE
WD
Livello basale
di trascrizione
SCAP
R.E.
Golgi
S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2
SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di
colesterolo: coefficiente di Hill 3,5
Arun Radhakrishnan1 et al. Cell metabolism 2008
REGOLAZIONE GLOBALE
ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A
1. Aumento della degradazione di HMG-CoA reduttasi
2. Diminuzione della attivazione di SRE-BP
SI ABBASSANO I LIVELLI
BASSI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A
1. Più lunga emivita di HMG-CoA reduttasi
2. Aumento della attivazione di SRE-BP
SI INNALZANO I LIVELLI
CATABOLISMO
ACIDI BILIARI.
Prodotti del catabolismo
Funzione nell assorbimento dei lipidi
acido taurocolico
- 3 gruppi -OH polari in C3, C7, C12
- gruppo solfato della taurina
Enzima chiave 7α-idrossilasi
REGOLAZIONE della DEGRADAZIONE
Acido
ascorbico O2
R.E.
Colesterolo
H 2O
acido
deidroascorbico
7α-idrossilasi (CYP7A1)
7α -idrossicolesterolo
–
CYP7A1
-  indotta da colesterolo alimentare
-  inibita da sali biliari
–
trascrizione regolata da
HMG-CoA reduttasi
+
farnesoid X receptor (FXR)
Ligandi: sali biliari.
liver X receptor (LXRα )
Ligandi: ossisteroli
down regola 7α-idrossilasi e
impedisce accumulo di sali biliari
induce espressione trasportatori ABCA1
(ATP-binding cassette)
Impedisce accumulo di colesterolo
Normale
Regolazione epatica
IDL intermediate-density lipoprotein
Difetto
genetico
del
recettore
Dieta ricca in grassi
Colesterolo
Recettore saturo e
down-regolato
dalla dieta
SATURAZIONE RECETTORE
Û CALORIE TOTALI
Û TRIGLICERIDI
Û COLESTEROLO
Ü DIETA IPOCALORICA
Ü DIGIUNO
Digestione ed
assorbimento dei
lipidi
STOMACO
TRIGLICERIDI idrolisi di TG con acido grassi a corta-media
catena (allattamento) per azione della lipasi gastrica
DUODENO
TRIGLICERIDI
Idrolisi parziale a dovuta alla azione combinata di
- sistema lipasi - colipasi pancreatica
- sali biliari ( fegato)
-  bicarbonato
2-monoacil-glicerolo + 2 molecole di acido grasso
FOSFOLIPIDI: fosfolipasi A2 (produce lisofosfatidilcolina)
COLESTEROLO: assorbito come colesterolo libero
colesteril-estere idrolasi idrolizza colesterolo esterificato
acido taurocolico
Idrossilato in C3, C7, C12
BILE 82%
H2O
BILE
Il restante in proporzione
5% colesterolo
5% colesterolo
15% fosfolipidi
15%
fosfolipidi
80% sali
biliari
80% Sali biliari
CIRCOLO ENTEROEPATICO sali biliari: sintetizzati 400 mg/die
riciclati 20-30 g/die
Sistema
lipasi-colipasi
Complesso 1:1
Bersaglio dell Orlistat
farmaco antiobesità
Mancata digestione del
30% TG
Voet
PRODOTTI DELLA DIGESTIONE
monoacilgliceroli, acidi grassi, lisofosfatidilcolina,colesterolo
ASSORBIMENTO
In genere alta efficienza
95%
Formazione di piccole micelle 3-10 nm
contenenti anche le vitamine A, D, E, K
grazie alla azione dei sali biliari, detergenti biologici
DIFFUSIONE PASSIVA: gradiente di concentrazione mantenuto dalla
riesterificazione nel R.E.dell enterocita
TRASPORTO FACILITATO Mediante trasportatori
Fatty Acid Transport Protein (FATP) a basse concentrazioni
RETICOLO ENDOPLASMATICO
riesterificazione
2-monoacilglicerolo + acil~CoA g trigliceride
colesterolo + acil ~ COA g estere del colesterolo
acil-colesterolo acil transferasi ACAT
ed acquisizione di apolipoproteine (B48, A, E, C)
APPARATO DI GOLGI secrezione di chilomicroni
acidi grassi a corta catena
via linfatica
Apo E
sangue portale
legati alla albumina
Apo A
Apo C
Apo B48
ENTEROCITA
captazione ed efflusso dal lume intestinale
biosintesi
formazione dei chilomicroni
ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO
INIBIZIONE tramite
alimenti
fitosteroli
fibra alimentare
yogurt, latti fermentati (probiotici: lactobacilli e
bifidobatteri)
assorbono colesterolo intestinale diminuendo l assorbimento da
parte dell organismo
producono acidi a carta catena (acido propionico che inibisce
l attività dell HMG-CoA)
farmaci
ezetimibe
colestiramina - resine che legano acidi biliari e ne prevengono
il riassorbimento
BILE
5% colesterolo
15% fosfatidilcolina
80% sali biliari
CIRCOLO ENTEROEPATICO
Acidi biliari: sintetizzati 400 mg/die
riciclati 20-30 g/die
Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile
Vegetariani stretti
assunzione dieta <55 mg
dalla bile 750 mg
Dieta occidentale
assunzione dieta 300-500 mg
dalla bile 800-1200 mg
FITOSTEROLI
Animali sintetizzano dallo squalene solo il colesterolo
Piante sintetizzano dallo squalene vari steroli tipici per
ciascun vegetale
- parte ciclica simile a quella del colesterolo,
- piccole variazioni nella catena laterale.
2 classi:
steroli o Δ5-steroli
con un doppio legame in posizione 5
stanoli senza il doppio legame.
dalla dieta 200-400 mg/die (onnivoro vs vegetariano)
Quantità apprezzabili in tutti gli alimenti vegetali
oli vegetali, noci, grano integrale, legumi,frutta, verdura
Alimento
Oli di grano
Olio di girasole
Olio di soia
Olio di oliva
Mandorle
Fagioli
Banana
Mela
Pomodoro
mg/ 100 gr prodotto edibile
950
720
220
160
140
75
16
12
7
- poco captati dall enterocita: max 5% vs 50% colesterolo
- concentrazione ematica: ≈ 0,1- 0,14% quella del colesterolo
SUPPLEMENTAZIONE di 2 grammi/die porta a
- Riduzione di assorbimento del colesterolo del 30-50%
- Riduzione livelli LDL del 9-14%
senza influenzare i livelli di HDL e TG
(effetti dopo un paio di settimane di trattamento)
definiti CARDIOPROTETTIVI
Meccanismo ipotizzato
-  nel lume intestinale competono e spiazzano il colesterolo dalle
micelle fosfolipidi/sali biliari, così da diminuire l assorbimento
Interazioni con farmaci (statine): possono contribuire per un ulteriore
10% al calo di LDL
FDA 2000-approved health claims supporting their
role in lowering both total and LDL cholesterol
Raccomanda l assunzione di 800 mg/d
Dieta uomo primitivo alta in fitoseroli, 1 g/die
dovrebbe essere rapporto
fitosterolo:colesterolo = 5:1
negli USA dal 1999 inclusi in alimenti fortificati
- margarine, burro, oli
in forma di esteri di acidi grassi a lunga catena (più liposolubili)
-  succo d arancia, snack da bar, yogurt
emulsionati con lecitina per integrarli in alimenti non lipidici
FDA (USA) - non superare i 3 g/die
CONTROINDICAZIONI per dosi terapeutiche
ü  generiche per donne in gravidanza, anziani, bambini ( anche se
non ci sono controindicazioni specifiche)
ü  occasionalmente nausea, diarrea, costipazione
ü  calo nell assorbimento di vitamine liposolubili, in particolare βcarotene; necessaria assunzione addizionale di verdure e frutta
ad alto contenuto in carotenoidi
ü  fattore di rischio per malattia cardiovascolare in seguito ad
iperassorbimento di fitosteroli in alcuni individui con particolare
patrimonio genetico (sitosterolemia o fitosterolemia)
Captazione ed efflusso
intestinale:
processo selettivo
1.TRASPORTATORI - superficie apicale
trigliceridi
colesterolo
ABCG5
ABCG8
MTP
microsomal triglyceride transfer protein
(MTP)
fitosteroli
ATP-binding cassette (ABC)
isoforme intestinali ABCG5 e ABCG8
Pompa attiva per l efflusso di colesterolo
dall enterocita nel lume intestinale
CHILOMICRONI
acil~CoA:colesterolo aciltransferasi
(ACAT) 70-80% viene esterificato
LINFA
colesterolo
colesterolo
NPC1L1
Ezetimibe
colesterolo
Niemann-Pick C1-like protein 1 (NPC1L1)
Importo colesterolo > fitosteroli
e quindi internalizzato per endocitosi
Acidi grassi
Apo
B-48
ACAT2
colesterolo
estere del
colesterolo
ENTEROCITA
COLESTEROLO 50% assorbito ( ma grande variabilità individuale 20-80%)
FITOSTEROLI
uptake max 5% e non riconosciuti da ACAT
FITOSTEROLEMIA
mutazione di ABC G5 / ABC G8 (1 : 5 milioni)
iperassorbimento e diminuita escrezione
aumenta anche colesterolo
Porta a malattia cardiovascolare
EZETIMIBE
inibitore selettivo dell assorbimento del colesterolo
Molecola sintetizzata nel 1998
- appartenente a classe di composti progettati come inibitori della ACAT
- efficaci in vivo senza azione inibente sulla ACAT in vitro
Anello β-lattamico
Bersaglio identificato nel trasportore NPC1L1 (2004)
contiene un sito sterolo-sensibile, analogamentealla HMGCoAR e SCAP
aumenta sintesi endogena per cui vanno accoppiate le statine
Punti di controllo nell omeostasi
biosintesi epatica
captazione intestinale
HMG~CoA reduttasi
NPC1L1
diventano bersagli farmacologici
CONTROLLO DEI LIVELLI DI COLESTEROLO
ENDOGENO ED ESOGENO
Controllo non farmacologico della colesterolemia
Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document
A PARITA DI INTROITO CALORICO
Û Acidi grassi saturi e trans insaturi (<5% nella carne e latte ruminanti)
Û Saccarosio, fruttosio (generano trigliceridi)
Û Colesterolo (effetto minore di grassi saturi)
= Acidi grassi monoinsaturi effetto neutro o positivo (altri componenti)
Ü Acidi grassi polinsaturi: ac linoleico, EPA, DHA (pesce, olio di pesce)
Ü Dieta ipocalorica e calo ponderale
Ü Attività fisica aerobica (Û HDL)
Ü Fibra alimentare (vegetali, frutta che contengono anche folati)
Ü Fitosteroli (cereali integrali, noci non salate)
Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL
Le malattie cardiovascolari sono la causa più
importante di mortalità, morbosità e invalidità
nella popolazione italiana.
ü  Limitare il consumo di grassi in generale
ü  Sostituire i grassi saturi (carne, insaccati, formaggio, burro)
con acidi grassi polinsaturi e monoinsaturi (pesce, oli vegetali)
ü  Aumentare il consumo di frutta, verdura, legumi
ü  Limitare il consumo di dolci
ü  Limitare il sale
ü  Limitare il consumo di alcol
ü  Dimagrire se si è in sovrappeso
ü  Svolgere attività fisica
ü  Abolire il fumo